UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE TRANSPORTES
WELLINGTON LORRAN GAIA FERREIRA
ANÁLISE
DO FLUXO D’ÁGUA EM
REVESTIMENTOS ASFÁLTICOS
COM DIFERENTES PERMEABILIDADES
WELLINGTON LORRAN GAIA FERREIRA
ANÁLISE DO FLUXO D’ÁGUA EM REVESTIMENTOS ASFÁLTICOS
COM DIFERENTES PERMEABILIDADES
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Transportes, da Universidade Federal do Ceará, como requisito para obtenção do Título de Mestre em Engenharia de Transportes. Área de Concentração: Infraestrutura de Transportes.
Orientadora: Verônica Teixeira Franco Castelo Branco, Ph.D.
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Pós-Graduação em Engenharia - BPGE
F444a Ferreira, Wellington Lorran Gaia.
Análise do fluxo d’água em revestimentos asfálticos com diferentes permeabilidades / Wellington Lorran Gaia Ferreira. – 2015.
131 f. : il. color., enc. ; 30 cm.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia de Transportes, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Transportes, Fortaleza, 2015.
Área de Concentração: Infraestrutura de Transportes.
Orientação: Profa. Dra. Verônica Teixeira Franco Castelo Branco.
1. Transportes. 2. Permeabilidade. 3. Granulometria. 4. Misturas de emulsão asfáltica. I. Título.
AGRADECIMENTOS
À minha família, Vilson, Eliana, Washington, Williany, Andréia, Luiz Arthur e Sofia, pelo apoio e carinho em todos esses anos. À minha namorada, Michelly, pelo companheirismo.
À minha orientadora, Profa. Verônica Castelo Branco, por sempre acreditar em mim e me motivar durante a minha caminhada.
Aos professores, Felipe Loureiro e Suelly Barroso pela participação ativa na minha formação.
Aos professores, Jorge Soares, Francisco Chagas e Silvia Caro pela participação na minha banca examinadora.
Aos amigos do grupo de misturas asfálticas do LMP, Rômulo, Reuber, Natan, Lucas, Manuela, Iuri, Victor, Iran pelo cooperativismo constante durante o trabalho.
Às empresas, Petrobras, Insttale, Kraton polímeros e Pedreira MFT pelo fornecimento dos materiais utilizados na presente pesquisa.
Ao CNPq pela bolsa de mestrado concedida ao autor.
RESUMO
O efeito deletério da água é um dos principais fatores responsáveis pelo desgaste de revestimentos asfálticos. No interior desta estrutura, a água pode interferir na adesão do filme de ligante com os agregados e na coesão do próprio filme de ligante, agravando mecanismos de dano, tais como deformação permanente e trincamento por fadiga. Dessa forma, estudar o comportamento do revestimento asfáltico na presença da água é de fundamental importância para a durabilidade da estrutura. Para que a água seja transportada no interior do material é necessário que os vazios se comuniquem. Entretanto, a distribuição dos vazios com a profundidade da camada de revestimento não é homogênea, bem como a condição anisotrópica de misturas asfálticas faz com que essa distribuição dos vazios seja também diferente nas direções horizontal e vertical. O coeficiente de permeabilidade (k) tem sido um parâmetro
comumente utilizado para caracterizar a capacidade drenante de misturas asfálticas. Entretanto, o k só é constante para um material no estado saturado. No estado não saturado, o k é função da
quantidade de água presente nos vazios. Como na maioria das estruturas de engenharia, incluindo os pavimentos asfálticos, predomina o estado não saturado, o presente trabalho tem como objetivo principal avaliar, através de simulação numérica, o fluxo d’água em uma seção hipotética de pavimento asfáltico com revestimento composto por diferentes misturas asfálticas com diferentes permeabilidades. No total, foram analisadas seis misturas asfálticas do tipo Concreto Asfáltico (CA) com Volumes de vazios (Vv) diferentes (4% e 7% de Vv), e a partir de amostras com três alturas (6,5cm, 12cm e 15cm para cada Vv). As amostras com 15cm e 12cm de altura foram cortadas em três partes (topo, meio e base) com o objetivo de verificar o comportamento da permeabilidade com a altura da amostra. Os resultados indicam que a distribuição dos vazios com a altura da amostra se altera, consequentemente, também altera os valores do k com a profundidade. Resultados obtidos a partir de amostras com 12cm de altura
indicam que a permeabilidade diminui com a profundidade se comparada aos resultados obtidos para amostras com 15cm de altura. Além disso, verificou-se que a distribuição do nível de saturação na camada de revestimento diminui à medida que a camada de revestimento se aproxima da borda da estrutura. Por fim, amostras com 7% de Vv apresentam maior capacidade drenante, e consequentemente, são mais susceptíveis ao dano provocado pela umidade quando comparada com amostras com 4% de Vv.
ABSTRACT
The deleterious effect of water is a major factor responsible for the distresses in flexible pavements. Inside the structure, the water can interfere in the binder/aggregate adhesion and in the cohesion of the binder itself, accelerating damage mechanisms such as fatigue damage and permanent deformation. Thus, studying the behavior of the pavement in the presence of water is crucial to predict the behavior of this structure. For the water transport inside the material it is necessary an interconnection of voids. However, the distribution of voids with the depth of the surface layer is non homogeneous, as well as the anisotropic condition of asphalt mixtures results in different voids distribution in horizontal and vertical directions. The coefficient of permeability (k) has been a parameter commonly used for characterizing the drainage capacity
of asphalt mixtures. However, the k is constant only for a saturated state, while for the
unsaturated state, k is function of the amount of water present in the voids. For most engineering
structures, including asphalt pavements, the unsaturated state is predominant. In this context, this study aims to evaluate, through numerical simulation, the flow of water in a hypothetical section of asphalt pavement with different asphalt mixtures with different permeabilities. In total, they were evaluated six Asphalt Concrete (AC) mixtures with different Air Voids (AV - 4% and 7%), and three different heights (6.5 cm, 12cm and 15cm for each AV). Samples with 15cm and 12cm height were cuted in three parts (top, middle and base) in order to verify the permeability behavior with the depth of the sample. The results indicate that the distribution of voids changes with the height of the sample and consequently also changes the k value with the
depth. Results obtained from 12cm height samples indicate that the permeability decreases with depth when compared to results obtained for 15cm height samples. Furthermore, it was found that the distribution of the saturation level in the surface layer decreases as the surface layer approaches the edge of the structure. Finally, the samples with 7% AV have a higher drainage capacity, and hence are more susceptible to moisture damage compared with samples with 4% AV.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Faixas granulométricas representativas de misturas asfálticas: densas (AA e CA); abertas (CPA) e descontínuas (SMA) ... 20 Figura 2 - Relação entre o gradiente hidráulico e a velocidade de percolação ... 23 Figura 3 - Método de ensaio para determinação da permeabilidade de misturas asfálticas proposto por Nascimento (2005) ... 26 Figura 4 - Permeâmetro de carga variável utilizado por Williams et al. (2010) ... 27
Figura 5 - Ensaio de permeabilidade vertical proposto por Chaves (2010) ... 27 Figura 6 - Equipamento utilizado por Falcão (2007) para realizar o ensaio de permeabilidade em misturas asfálticas ... 28 Figura 7 - Método de ensaio para a determinação das permeabilidades horizontal e vertical proposto por Oliveira (2003) ... 32 Figura 8 - Ilustração do procedimento realizado por Kutay et al. (2007) para determinação da
porosidade efetiva (nef) de misturas asfálticas ... 34
Figura 9 - Frequência da distribuição da relação kh/kv obtidas por Kutay et al. (2007) ... 35
Figura 10 - Simulação do comportamento da velocidade de fluxo nas direções x, y e z com a
profundidade da amostra realizadas por Kutay et al. (2007) ... 36
Figura 11 - Comparação entre os valores de permeabilidade calculados de acordo com a Equação 5 e por meio de Simulação Numérica (SN) realizados por Kutay et al. (2007) ... 37
Figura 12 - Classificação dos vazios de acordo com a distribuição dos poros ... 39 Figura 13 - Relação entre a permeabilidade e a percentagem de vazios conectados para misturas asfálticas com granulometria aberta obtidos por Masad et al. (2007) ... 40
Figura 14 - Distribuição do Vv e do raio médio dos vazios com a profundidade da amostra.. 41 Figura 15 - Distribuição do Vv radialmente obtidos por Nascimento et al. (2006) ... 42
Figura 16 - Duas possibilidades de mecanismo de dano por umidade sobre os mesmos atributos: (1) poro pressão gera microfissuras e (2) difusão gera descolamento ... 43 Figura 17 - Distribuição do Vv e do raio médio dos vazios com a profundidade ... 45 Figura 18 - Relação entre a raio médio de trincamento da amostra condicionada (Icond) e na
condição seca (Iseco) para 1.000 ciclos de carregamento em função do valor médio do raio dos
vazios obtidos por Arambula et al. (2007) ... 46
Figura 19 - Relação entre o tamanho médio do diâmetro dos vazios e o dano por umidade induzida obtido por Masad et al. (2006)... 47
Figura 21 - Classificação dos vazios com relação a susceptibilidade ao dano por umidade
induzida proposta por Terrel e Al-Swailmi (1994) ... 49
Figura 22 - Ensaios de permeabilidade realizados em campo e em laboratório, propostos por Tarefder e Ahmad (2014) ... 49
Figura 23 - Resultados de permeabilidade obtidos em campo e em laboratório para as duas categorias de amostras ensaiadas (bom e mau desempenho) ... 50
Figura 24 - Resultados do ensaio de permeabilidade realizado em laboratório para amostras cortadas em três partes (topo, meio e base) ... 51
Figura 25 - Resultados da correlação entre permeabilidade e dano por umidade induzida ... 52
Figura 26 - Ilustração das regiões onde as zonas saturadas e não saturadas em um pavimento asfáltico podem ser observadas ... 53
Figura 27 - Ilustração do método do papel filtro para medir sucção ... 56
Figura 28 - Esquema do funcionamento de um psicrômetro para avaliação da sucção em solo ... 57
Figura 29 - Exemplo de um tensiômetro utilizado para medir a sucção ... 58
Figura 30 - Curva característica de um solo e a função permeabilidade correspondente ... 59
Figura 31 - Determinação do índice de distribuição de tamanho dos poros (λ) ... 60
Figura 32 - Método utilizado por Kassem (2005) para obter a sucção de misturas asfálticas . 63 Figura 33 - Curva característica das misturas asfálticas avaliadas por Kassem (2005) ... 65
Figura 34 - Conceito de carga total (h) para um solo com regiões saturada e não saturada .... 67
Figura 35 - Elemento de volume de controle para fluxo em meio poroso ... 68
Figura 36 - Seção transversal de pavimento flexível avaliada por Masad et al. (2002) ... 70
Figura 37 - Vetores de fluxo próximo da linha de centro do pavimento ... 71
Figura 38 - Variação da carga total (h) a partir da linha do centro... 72
Figura 39 - Fluxograma das atividades que foram realizadas no presente trabalho ... 74
Figura 40 - Granulometrias dos agregados utilizados no presente estudo ... 75
Figura 41 - Características do CAP utilizado ... 75
Figura 42 - Esquema da distribuição dos vazios em amostras com alturas diferentes compactadas no CGS, de acordo com Thyagarajan et al. (2008)... 77
Figura 43 - Curva granulométrica de projeto obtida para a mistura asfáltica do tipo CA (TMN 19,0mm) ... 78
Figura 45 - Procedimento para determinação do grau de saturação (S) das amostras antes da
realização do ensaio de permeabilidade ... 81
Figura 46 - Equipamento utilizado para realizar o ensaio de permeabilidade... 82
Figura 47 - Etapas da execução do ensaio de permeabilidade vertical ... 82
Figura 48 - Procedimento utilizado para serrar amostras ... 83
Figura 49 - Ilustração do modelo de elementos finitos gerado pelo Slide 6.0 (sem escala) .... 84
Figura 50 - Ilustração da solução gerada pelo Slide Interpret do problema apresentado na Figura 49 para um pavimento asfáltico ... 85
Figura 51 - Ilustração da situação hipotética analisada neste estudo (sem escala) ... 86
Figura 52 - Seções tipo da camada de revestimento que serão avaliadas no presente estudo .. 86
Figura 53 - Tela do programa Slide 6.0 onde são inseridas as propriedades hidráulicas do material avaliado... 88
Figura 54 - Curvas granulométricas de projeto das misturas asfálticas avaliadas por Pease (2010) e da mistura asfáltica (CA) avaliada na presente pesquisa ... 90
Figura 55 - Curvas características e funções permeabilidade obtidas por Ariza (2002) e por Camacho (2002) para solos utilizados em camada de base de pavimentos asfálticos ... 92
Figura 56 - Curvas características e funções permeabilidade obtidas por Peixoto (2011) e por Ariza (2002) para solos de subleito de pavimentos asfálticos ... 93
Figura 57 - Exemplo do processo de simulação que será executado para o cenário 1 (base e subleito com capacidade drenantes baixas) ... 95
Figura 58 - Resultados do ensaio de permeabilidade a partir de amostras saturadas para todas as amostras avaliadas no presente estudo para os dois Vvs avaliados (4% e 7% de Vv)... 97
Figura 59 - Resultados de permeabilidade para amostras saturadas para a mistura asfáltica do tipo CA com 4% de Vv ... 99
Figura 60 - Resultados de permeabilidade para amostras saturadas para a mistura asfáltica do tipo CA com 7% de Vv ... 102
Figura 61 - Ilustração dos pontos onde serão avaliados a carga total considerando seção tipo 1 (revestimento sem divisão entre o topo, o meio e a base) ... 103
Figura 62 - Variação da h a partir da LC do pavimento para a mistura asfáltica do tipo CA com 4% e com 7% de Vv, considerando a condição isotrópica ... 104
Figura 63 - Ilustração dos pontos onde foram avaliados a distribuição do k com a profundidade ... 107 Figura 64 - Distribuição do k com a profundidade do revestimento obtida a partir da simulação
de Vv, condição isotrópica e seção tipo 1(revestimento sem divisão entre o topo, o meio e a base) ... 107 Figura 65 - Distribuição do k com a profundidade do revestimento obtida a partir da simulação
numérica do revestimento com 4,5cm de espessura para a mistura asfáltica com 7% de Vv, condição isotrópica e seção tipo 1 (revestimento sem divisão entre o topo, o meio e a base)109 Figura 66 - Distribuição do k com a profundidade do revestimento com 4,5cm de espessura
obtida a partir da simulação numérica para as misturas asfálticas com 4% de Vv, condição isotrópica e valores de ks obtidos para amostras com 12cm e com 15cm de altura cortadas em
três partes ... 110 Figura 67 - Vetores de fluxo próximos da LC do pavimento para a mistura asfáltica com 7% de Vv, condições isotrópica e anisotrópica e revestimento com 4,5cm de espessura ... 113 Figura 68 - Ilustração dos pontos onde serão avaliados a carga total considerando seção tipo 2 (revestimento dividido entre o topo, o meio e a base) ... 114 Figura 69 - Variação da h a partir da LC do pavimento para a mistura asfáltica do tipo CA com
7% de Vv, considerando as condições isotrópica e anisotrópica ... 114 Figura 70 - Vetores de fluxo próximo da LC do pavimento para a mistura asfáltica com 7% de Vv, condições isotrópica e anisotrópica e revestimento com 4,5cm de espessura ... 115 Figura 71 - Valores da h para os dois cenários avaliados (cenário 1: base e subleito com baixa
capacidade drenante; cenário 2: base e subleito com elevada capacidade drenante) ... 116 Figura 72 - Comparação do comportamento da carga total quando os dois cenários são avaliados (cenário 1: base e subleito com baixa capacidade drenante; cenário 2: base e subleito com elevada capacidade drenante) para um revestimento com 4,5cm de espessura... 117 Figura 73 - Verificação do comportamento da carga total com e sem o uso da camada de imprimação ... 118 Figura 74 - Comparação dos valores da carga total no fundo do revestimento, para a situação inicial (com camada de imprimação) e para a segunda situação (sem camada de imprimação) ... 119 Figura 75 - Comparação entre o comportamento da distribuição dos valores de h na camada de
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação de misturas asfálticas com relação a permeabilidade das mesmas ... 25 Tabela 2 - Valores médios de Ĉ obtidos através de diferentes métodos e por diferentes autores a partir da realização de ensaios de permeabilidade em misturas asfálticas ... 30 Tabela 3 - Comparação entre os valores de coeficiente de permeabilidades vertical (kv) e
coeficientes de permeabilidade horizontal (kh) para misturas asfálticas do tipo CPA ... 33
Tabela 4 - Valores de k para misturas asfálticas com diferentes granulometrias obtidos por
Brown et al. (2004) ... 38
Tabela 5 - Tamanho médio dos vazios nas regiões central, intermediária e externa ... 64 Tabela 6 - Parâmetros de dosagem das seis misturas asfálticas avaliadas (3 amostras para cada mistura asfáltica)... 79 Tabela 7 - Valores das espessuras das camadas de revestimento simuladas no presente estudo ... 87 Tabela 8 - Valores de θs (média de 3 CPs) obtidos antes da realização do ensaio de
SUMÁRIO
1.0 INTRODUÇÃO ... 15
1.1 Problema de Pesquisa ... 16
1.2 Objetivos ... 17
1.2.1 Objetivo Geral ... 17
1.2.2 Objetivos Específicos ... 17
1.3 Organização da Dissertação... 18
2.0 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 20
2.1 Misturas Asfálticas ... 20
2.2 Lei de Darcy ... 21
2.2.1 Determinação do Coeficiente de Permeabilidade (k) ... 24
2.3 Métodos para Avaliação da Permeabilidade em Misturas Asfálticas ... 25
2.3.1 Métodos Experimentais ... 25
2.3.2 Métodos Analítico-Experimentais ... 29
2.4 Permeabilidade Horizontal de Misturas Asfálticas ... 32
2.5 Fatores que Interferem na Permeabilidade de Misturas Asfálticas ... 38
2.6 Previsão de Desempenho na Presença da Umidade ... 43
2.6.1 Distribuição dos Vazios e a Relação com o Dano por Umidade Induzida ... 44
2.6.2 Permeabilidade e a Relação desta com o Dano por Umidade ... 49
2.7 Estado Não Saturado do Pavimento ... 53
2.7.1 Sucção ... 54
2.7.2 Curva Característica e Função Permeabilidade... 58
2.7.3 Medida de Sucção em Misturas Asfálticas ... 62
2.8 Fluxo d’água ... 66
2.9 Equações de Fluxo ... 67
2.9.1 Fluxo Transiente ... 69
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 73
3.1 Programa Experimental ... 75
3.1.1 Materiais Utilizados - Agregados e Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) ... 75
3.1.2 Dosagem das Misturas Asfálticas ... 76
3.1.3 Ensaio para Determinação da Permeabilidade de Amostras Saturadas (ks) ... 79
3.1.4 Obtenção das Amostras para Realização do Ensaio de Permeabilidade Vertical ... 83
3.2 Análise de Fluxo ... 83
3.2.1 Apresentação do Programa Utilizado (Slide 6.0) ... 83
3.2.2 Geometria - Seção Hipotética Avaliada ... 85
3.2.3 Condições de Contorno ... 87
3.2.4 Propriedades do Material - Camada de Revestimento Asfáltico ... 88
3.2.5 Propriedades do Material – Camada de Base, Imprimação e Subleito ... 92
3.2.6 Cenário 1: Camada de Base e Subleito com Menor Capacidade Drenante ... 94
3.2.7 Cenário 2: Camada de Base e Subleito com Capacidades Drenantes Elevadas ... 95
3.2.8 Avaliação do Nível do Lençol Freático e da Ausência da Camada de Imprimação ... 96
4.0 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 97
4.1 Avaliação da Permeabilidade Saturada (ks) de Misturas Asfálticas ... 97
4.2 Distribuição do Vv e da ks com a Altura das Amostras ... 98
4.2.1 Amostras com 4% de Vv ... 98
4.2.2 Amostras com 7% de Vv ... 101
4.3 Simulação de Fluxo: Cenário 1 (Base e Subleito com Capacidades Drenantes Baixas) .. 103
4.3.1 Avaliação da Influência da Espessura da Camada de Revestimento no Fluxo D’água nesta Camada do Pavimento ... 103
4.3.2 Avaliação do Comportamento da Permeabilidade com a Profundidade da Camada de Revestimento ... 106
1.0 INTRODUÇÃO
O Brasil possui grande parte de seu território sujeito a chuvas intensas, que têm como principais características a curta duração e o grande volume de água precipitado. Um dos principais fatores que controla o desempenho do pavimento é a capacidade do revestimento de impedir que a água permaneça no interior do sistema (Al Omari, 2004). O efeito deletério da água, com relação a camada de revestimento, está relacionado a perda de adesão entre o ligante asfáltico e os agregados (falha adesiva) e a perda de coesão dentro do próprio filme de ligante asfáltico (falha coesiva). Esse mecanismo (dano por umidade induzida) pode agravar outras formas de danos estruturais, tais como a deformação permanente e o trincamento por fadiga. Entretanto, as falhas adesiva e coesiva são as últimas etapas de um processo que começa com os diferentes modos de transporte de umidade no interior da mistura asfáltica (Caro, 2009). Portanto, é fundamental caracterizar o processo de transporte de umidade, e assim poder correlacioná-lo ao mecanismo de dano por umidade.
Nesse contexto, a permeabilidade é uma propriedade do material que representa a capacidade do mesmo em transportar fluidos pelos vazios interconectados. Em misturas asfálticas, o fluido em estudo é a água, entretanto, existem estudos que usaram o ar sobre pressão para avaliar a permeabilidade de misturas asfálticas (Ellis e Schimidt, 1960). No Brasil, não há uma metodologia normatizada para a determinação do coeficiente de permeabilidade (k)
de misturas asfálticas. Na literatura nacional existem vários estudos que propõem métodos para avaliar a permeabilidade nesse tipo de material em laboratório (Nascimento, 2005; Falcão, 2007; Chaves, 2010; Ferreira, 2013). A maioria desses estudos utiliza como base teórica a lei de Darcy. Como o k é função do estado de saturação do material, para materiais na condição
saturada, esse parâmetro é constante. No estado não saturado, isto é, quando os vazios estão parcialmente preenchidos com água, o k é função da quantidade de água presente nos vazios.
Além disso, na condição não saturada, para o material poroso ser caracterizado é necessário obter a curva característica e a função permeabilidade do mesmo. A curva característica representa a relação constitutiva existente entre o nível de saturação e a pressão negativa d’água nos poros (sucção). Já a função permeabilidade, representa a relação entre o k e a sucção ou
entre o k e o nível de saturação (Fredlund e Rahardjo, 1993). Segundo Ariza (2002) e Pease
Nesse contexto, a quantidade de água no interior da mistura asfáltica vai depender do tamanho e da conectividade dos vazios. Dessa forma, a permeabilidade de misturas asfálticas é diretamente influenciada pela proporção dos constituintes da mesma: agregados e ligante asfáltico, além dos vazios. Al Omari (2004) afirma que as proporções dos constituintes da mistura asfáltica afetam a permeabilidade porque alteram a distribuição de vazios em termos de tamanho, de conectividade e de distribuição dos mesmos. Para que ocorra fluxo em meio poroso é necessário que os vazios se comuniquem. Além de que, se a distribuição dos vazios nessa estrutura, que é anisotrópica, é não uniforme, espera-se que a permeabilidade também apresente comportamento diverso em diferentes pontos do revestimento (Masad et al., 2007;
Kutay et al., 2007). Portanto, a permeabilidade média do material não é suficiente para entender
como o fluxo ocorre no meio. Nesse contexto, é fundamental entender como a permeabilidade está distribuída ao longo da camada de revestimento, a fim de caracterizar as regiões com maior possibilidade de dano provocado pela água.
1.1 Problema de Pesquisa
A água no interior do revestimento asfáltico pode agravar mecanismos de dano, como por exemplo o trincamento por fadiga e a deformação permanente. Entretanto, para avaliar o padrão de fluxo no interior do revestimento asfáltico é necessário primeiro compreender o comportamento do material em estudo, bem como os fatores que afetam a permeabilidade do mesmo. Misturas asfálticas são compósitos heterogêneos e anisotrópicos que apresentam distribuição, tamanho e conectividade dos vazios não uniforme (Kutay et al.,
2007; Zhang et al., 2012). Tanto as características e a proporção dos materiais constituintes,
como o Tamanho Máximo Nominal (TMN) dos agregados e o teor de ligante asfáltico, influenciam na permeabilidade das misturas asfálticas, bem como o fato do fluido percolante, a água, chegar ao revestimento através de diversas fontes: precipitação, ascensão capilar, em forma de vapor de água, etc. Como a água chega ao revestimento de diversas formas, o estado de saturação da mistura asfáltica altera com o tempo.
Somado aos problemas já citados, no Brasil, não há um método normatizado para a determinação do k em misturas asfálticas. Enquanto na literatura nacional a maioria dos estudos
maior parte dos estudos, principalmente os nacionais, avalia somente a permeabilidade vertical de misturas asfálticas. Entretanto, como já comentando anteriormente, misturas asfálticas são materiais anisotrópicos que apresentam distribuição interna de vazios não uniforme. Essa distribuição heterogênea dos vazios influencia diretamente na magnitude da permeabilidade nas diversas direções.
Além disso, existe as dificuldades relacionadas ao processo de simulação numérica do fluxo d’água nos revestimentos asfálticos, como por exemplo, a definição das condições de contorno e das propriedades hidráulicas dos materiais avaliados. Nesse contexto, é fundamental a obtenção em laboratório ou em campo de valores de k realistas e que representem
adequadamente o comportamento do material. Ademais, definir as condições de contorno de uma estrutura em que o fluido (água) percolante pode chegar ao revestimento de diversas fontes é complexa. Por fim, as características de projeto da camada de revestimento asfáltico, como a espessura, o Volume de vazios (Vv), o nível de compactação e a declividade da mesma também podem influenciar no padrão de fluxo no interior da camada.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
O objetivo principal do presente trabalho é verificar a influência da permeabilidade do revestimento asfáltico no fluxo d’água no interior desta camada do pavimento.
1.2.2 Objetivos Específicos
Para atingir o objetivo geral, alguns objetivos específicos foram traçados. Os objetivos específicos podem ser divididos em duas partes com relação a forma de obtenção dos mesmos: experimental (laboratório) e a partir de simulação numérica de fluxo d’água.
Objetivos específicos a serem obtidos por meio de análises experimentais são:
a) Avaliar a permeabilidade de diferentes misturas asfálticas a partir de métodos encontrados na literatura e/ou adaptados neste trabalho;
c) Verificar experimentalmente o comportamento da permeabilidade de diferentes misturas asfálticas com a altura das amostras (topo, meio e base).
Objetivos específicos a serem obtidos por meio de simulação numérica de fluxo d’água na camada de revestimento asfáltico são:
d) Avaliar a influência da espessura da camada de revestimento do pavimento no padrão de fluxo do sistema;
e) Verificar a distribuição da permeabilidade com a profundidade do revestimento; f) Verificar a influência da condição anisotrópica do revestimento asfáltico no
fluxo d’água nesta camada;
g) Verificar a relação entre o fluxo d’água no revestimento e o grau de saturação do material;
h) Verificar a influência da utilização de diferentes materiais nas camadas granulares no padrão de fluxo da camada de revestimento;
i) Verificar a influência da existência da camada de imprimação no fluxo d’água da camada de revestimento asfáltico;
j) Verificar a influência do nível do lençol freático no fluxo d’água na camada de revestimento.
1.3 Organização da Dissertação
O presente trabalho encontra-se organizado conforme descrito a seguir:
Capítulo 1: apresenta as considerações iniciais relacionadas ao trabalho desenvolvido, contextualizando o problema de pesquisa e apresentando os objetivos geral e específicos que deverão ser atingidos ao final da dissertação;
Capítulo 2: apresenta uma revisão bibliográfica realizada através da busca na literatura por trabalhos que tratam do tema da pesquisa, apresentando informações referentes aos principais conceitos a serem abordados, como: permeabilidade de misturas asfálticas, fatores que interferem na permeabilidade das mesmas, fluxo d’água em meios saturados e não saturados em materiais asfálticos, distribuição interna de vazios, entre outros;
capítulo, assim como a metodologia utilizada para se obter a curva característica e a função permeabilidade das misturas asfálticas avaliadas;
Capítulo 4: apresenta os valores de permeabilidade a partir de amostras saturadas obtidos experimentalmente para todas as misturas asfálticas analisadas. Em seguida, os resultados da simulação numérica realizada para uma seção hipotética de pavimento flexível no estado não saturado serão apresentados;
2.0 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Misturas Asfálticas
Os pavimentos asfálticos são constituídos, basicamente, da associação entre o CAP (Cimento Asfáltico de Petróleo - CAP), os agregados minerais e em alguns casos, aditivos. Estas misturas podem ser identificadas quanto a forma de preparo das mesmas: a quente com o uso de CAP, ou a frio com o uso de Emulsão Asfáltica de Petróleo (EAP). As misturas asfálticas usinadas a quente podem ser separadas quanto à distribuição granulométrica em: densas, abertas, contínuas e descontínuas (Bernucci et al., 2010). A Figura 1 apresenta, a título de
exemplo, faixas granulométricas utilizadas em misturas asfálticas densas (Areia Asfáltica – AA e Concreto Asfáltico – CA), em misturas asfálticas abertas (Camada Porosa de Atrito – CPA) e em misturas asfálticas descontínuas (Stone Matrix Asphalt– SMA).
Figura 1 - Faixas granulométricas representativas de misturas asfálticas: densas (AA e CA); abertas (CPA) e descontínuas (SMA)
Fonte: Próprio autor.
As misturas asfálticas com graduação aberta apresentam curva granulométrica uniforme (Figura 1) com agregados quase exclusivamente de um mesmo tamanho. A principal função de misturas asfálticas com granulometria aberta é favorecer a drenagem, pois a ausência de material fino (partículas menores do que 0,075mm) proporciona uma mistura com elevado Vv (acima de 18%, de acordo com a norma DNER-ES 386/99), possibilitando a percolação da água no interior da mesma. Já as misturas asfálticas com graduação descontínua apresentam curva granulométrica com a proporção de material graúdo dominante (Figura 1) em relação ao
0 20 40 60 80 100
0,01 0,1 1 10 100
P
assan
te
(%
)
Abertura das Peneiras (mm) SMA - FAIXA 12,5mm
(ASTHO MP8-02) CA - FAIXA C DNIT 031/2004-ES
AA - FAIXA A DNIT 032/2005-ES
material de graduação intermediária e fina, de forma a ter uma curva granulométrica descontínua entre as peneiras de nº4 (4,76mm) e de nº200 (0,075mm), inclusive não apresentando agregados nesta faixa de graduação. O SMA é um exemplo de mistura asfáltica de graduação descontínua.
No Brasil, é comum a utilização de misturas asfálticas a quente densas e contínuas. Essas misturas asfálticas apresentam curva granulométrica contínua e bem graduada (Figura 1) de forma que esta proporcione um esqueleto mineral com baixos valores de Vv (geralmente em torno de 4% para CA e de 7% para AA. A mistura asfáltica do tipo CA, é bastante utilizada em rodovias com alto volume de tráfego por esta geralmente apresentar resistência elevada. Essa mistura asfáltica, diferentemente da AA, apresenta em sua composição agregados minerais de vários tamanhos (Figura 1), o que proporciona maior resistência a mesma, pois os agregados miúdos preenchem os espaços entre os agregados graúdos.
2.2 Lei de Darcy
No estudo sobre escoamento em meios porosos, a referência mais antiga é a do engenheiro francês Henri Darcy que data de 1856 (Fredlund e Rahardjo, 1993; Freeze e Cherry, 1979). A lei de Darcy afirma que a taxa de fluxo d’água que percola por um meio poroso é proporcional ao gradiente de carga hidráulica. A Equação 1 apresenta a lei de Darcy.
v = −k ×∂h∂y (1)
Onde:
v = velocidade de fluxo (m/s);
k = coeficiente de permeabilidade (m/s); h = carga hidráulica ou carga total (m); ∂
∂ = gradiente de carga hidráulica.
O sinal negativo na Equação 1 indica que a água flui na direção em que a carga total (h) está decrescendo. A proporcionalidade existente entre a taxa de fluxo do fluido e o gradiente
de carga hidráulica é conhecida como coeficiente de permeabilidade (k). A permeabilidade de
seus vazios quando o mesmo está sujeito a pressão (Al Omari, 2004). Para aplicação da lei de Darcy, algumas premissas básicas devem ser observadas:
a) Regime laminar de escoamento (baixa velocidade); b) Material na condição saturada;
c) Fluxo perpendicular à seção transversal do Corpo de Prova (CP); d) Escoamento influenciado pela viscosidade (µ) do permeante.
O fluido em estudo, geralmente, é a água. No entanto, existem estudos, como o de Ellis e Schmidt (1960), que usaram o ar sobre pressão para avaliar a permeabilidade de misturas asfálticas. A permeabilidade de qualquer material poroso está diretamente relacionada com as características dos materiais que o constituem, bem como com as características do fluido percolante. Além das propriedades do material, a permeabilidade depende também das propriedades do permeante, principalmente da viscosidade do mesmo.
O k é constante para um material no estado saturado. Segundo Hunter e Gordon
(2005), o ensaio para determinar o k em misturas asfálticas só deve iniciar quando as condições
de fluxo constante forem estabelecidas. Na condição não saturada, as bolhas de ar constituem obstáculos ao fluxo de água (Pinto, 2002). Entretanto, a lei de Darcy também pode ser aplicada para um meio poroso no estado não saturado, isto é, em um meio onde os vazios estão parcialmente preenchidos com água. No estado não saturado, o k é função da quantidade de
água presente nos vazios, portanto, não pode ser assumido como constante. O comportamento não saturado em solos é muito estudado, pois na maior parte das estruturas de engenharia geotécnica, o solo encontra-se nesse estado. Em pavimentos asfálticos o comportamento não saturado também pode ser observado. Este tema ainda será melhor abordado na presente revisão bibliográfica.
O regime laminar de escoamento também é uma das premissas do estudo de Darcy. De acordo com Porto (2006), o regime de escoamento de um fluido em meio poroso é influenciado pela força de inércia da massa fluida e pela força viscosa, esta por sua vez é influenciada pela viscosidade do fluido. O número de Reynolds (Rey) representa a relação entre
a força de inércia e a força viscosa. Este número adimensional é expresso pela Equação 2.
Rey
=
υ × ρ ×LOnde:
ν = velocidade de fluxo (m/s); ρ = densidade do fluido;
L = longitude na direção do fluxo (m); µ = viscosidade do fluido (kg/m.s).
Para o mesmo fluido e o mesmo material poroso, as mudanças de velocidade são funções do gradiente de pressão aplicado na direção do fluxo, como ilustrado na Figura 2. A parte linear da curva representa a região onde o Rey é pequeno, sendo a força viscosa
predominante sobre a força de inércia (Al Omari, 2004). A velocidade que limita os dois tipos de escoamento (laminar e turbulento) denomina-se velocidade crítica (vc).
Figura 2 - Relação entre o gradiente hidráulico e a velocidade de percolação
Fonte: adaptado de Al Omari (2004).
O gradiente hidráulico (i) representa a relação entre h (carga dissipada na
percolação) por L (longitude na direção do fluxo). Al Omari (2004) menciona que a linearidade
entre o i e a velocidade de fluxo deve ser verificada experimentalmente em laboratório para
cada mistura asfáltica avaliada, pois cada mistura asfáltica apresenta estrutura interna diferente. No entanto, verificando os resultados relatados nos diversos trabalhos presentes na literatura, observa-se que a velocidade crítica vc para misturas asfálticas seria da ordem de 10-5m/s, no
máximo, a depender do tipo, das características das misturas asfálticas e do valor do i analisado.
Sabendo que, de acordo com a lei de Darcy, a velocidade de percolação (v) é calculada pela
multiplicação do k pelo i, quanto menor o valor do i, menor será a velocidade do fluido no meio,
tornando o fluxo laminar.
laminar pode não ser garantido, pois a v é elevada (da ordem de 10-3m/s ou superior). Portanto,
a aplicação da lei de Darcy em misturas asfálticas drenantes pode ser teoricamente inconsistente. Oliveira (2003), Silva (2005) e Souza (2008) avaliaram experimentalmente o escoamento de misturas asfálticas do tipo CPA, e concluíram que o regime de escoamento é indefinido ou não caracterizado devido a velocidade de escoamento (esses autores obtiveram valores de permeabilidade da ordem de 10-3m/s). Pinto (2002) estudou vários tipos de solos, e indica que, para pedregulhos e para algumas areias grossas, velocidades de escoamento superiores ou iguais a 10-3m/s tornam o fluxo turbulento. Masad et al. (2007) afirmam que para misturas asfálticas com granulometria aberta, o fluxo laminar depende do gradiente hidráulico aplicado.
2.2.1 Determinação do Coeficiente de Permeabilidade (k)
Considerando a aplicação da lei de Darcy, a determinação do k em laboratório segue
dois tipos de procedimentos com relação ao carregamento utilizado: constante e variável (Pinto, 2002). No ensaio de carga constante, o gradiente hidráulico é mantido constante sobre a superfície do material, e o k é calculado de acordo com Equação 3.
k =A × h × tQ × L (3)
Onde:
k = coeficiente de permeabilidade ou condutividade hidráulica (m/s); Q = vazão medida (m³);
L = altura do CP na direção do fluxo (m); A = área da seção transversal do CP (m²); h = carga hidráulica (m);
t = tempo decorrido do ensaio (s).
Já no ensaio com carga variável, a carga hidráulica é medida num instante inicial (t0) e, em seguida, em um instante qualquer (t). O k é calculado de acordo com a Equação 4.
Onde:
a = área da seção transversal do tubo (m²); L = altura do CP na direção do fluxo (m); A = área da seção transversal do CP (m²);
∆t = variação do tempo entre as cargas hidráulicas final e inicial (s); h0 = carga hidráulica inicial (m);
h1 = carga hidráulica final (m).
Com relação a ordem de grandeza dos valores de k para misturas asfálticas,
O´flaherty (2002) classificou a permeabilidade de misturas asfálticas de acordo com os valores de k, como mostrado na Tabela 1. O citado autor ainda afirma que para misturas asfálticas
porosas utilizadas no Reino Unido, os valores de k estão entre 0,5×10-3m/s e 3,5×10-3m/s.
Tabela 1 - Classificação de misturas asfálticas com relação a permeabilidade das mesmas k (m/s) Permeabilidade da Mistura Asfáltica
1 × 10-10 Impermeável
1 × 10-8 Praticamente impermeável
1 × 10-6 Drenagem baixa
1 × 10-4 Drenagem razoável
1 × 10-3 Drenagem alta
Fonte: adaptado de O´flaherty (2002).
Ainda com relação aos valores de k para misturas asfálticas, o National Cooperative
Highway Research Program - NCHRP (Brown et al., 2004) recomenda como a máxima
permeabilidade para misturas asfálticas o valor de 1,25×10-5m/s. A elevada permeabilidade (acima de 1,25×10-5m/s) de misturas asfálticas pode induzir a danos provocados pela água tanto na camada de revestimento quanto nas camadas subjacentes do pavimento. Vale ressaltar que, para misturas asfálticas com função drenante, como no caso da CPA, esse limite proposto através do estudo conduzido por Brown et al. (2004) não é aplicado, isto é, este limite de
permeabilidade se aplica apenas para misturas asfálticas convencionais, tais como CA e AA.
2.3 Métodos para Avaliação da Permeabilidade em Misturas Asfálticas
Nascimento (2005) utilizou a metodologia comumente adotada para a determinação da permeabilidade em solos como base para a determinação da permeabilidade de misturas asfálticas. Para a realização do ensaio, foi utilizado como permeâmetro o mesmo cilindro onde a mistura asfáltica foi compactada (Figura 3). Foram estudadas duas misturas asfálticas do tipo CA, uma com Vv de 4% e outra com Vv de 12%.
Figura 3 - Método de ensaio para determinação da permeabilidade de misturas asfálticas proposto por Nascimento (2005)
(a) Vista do permeâmetro aberto com o CP posicionado internamente
(b) Permeâmetro fechado junto ao sistema de entrada de água (cilindros graduados) Fonte: Nascimento (2005).
No estudo conduzido por Nascimento (2005), a mistura asfáltica com Vv de 4% tinha relação t/TMN (espessura do CP/TMN dos agregados) igual a 3,0, enquanto que a mistura
asfáltica com Vv de 12% tinha relação t/TMN igual a 4,7. O valor do k obtido nesse estudo foi
de 1,7×10-7m/s para a mistura asfáltica com Vv de 4,0% e de 3,4×10-7m/s para a mistura asfáltica com Vv de 12%. Verifica-se que, mesmo com a diferença (8%) entre os Vvs das misturas asfálticas avaliadas, os resultados de permeabilidade encontrados possuem a mesma ordem de grandeza (10-7m/s). Um estudo realizado por Brown et al. (2004) avaliou a permeabilidade (em campo e em laboratório) de sete diferentes misturas asfálticas compactadas em campo e constatou que o k decresce com o aumento da relação t/TMN. O mesmo resultado
foi observado por Nascimento (2005). A mistura asfáltica com Vv de 12% apresenta relação
t/TMN 56% superior se comparada aquela encontrada para a mistura asfáltica com Vv de 4%,
evidenciando a influência desse parâmetro na permeabilidade. Diante dos resultados obtidos, o autor deste estudo acredita que a permeabilidade pode ser mais influenciada pela granulometria da mistura asfáltica e pela espessura da camada de revestimento do que pelo percentual de vazios da mesma.
Williams et al. (2010) utilizaram a ASTM PS-129 (2001) para o cálculo do k de
constante quanto com carga variável, utilizando um permeâmetro de parede flexível que permite o controle da saturação da amostra durante o ensaio, pois o sistema é fechado e ligado a uma bomba de vácuo com controle de pressão. Além disso, o método descrito nessa citada norma assume a lei de Darcy como base para o cálculo do k. Esses autores realizaram ensaios
em misturas asfálticas com três diferentes TMN (19,0mm; 12,5mm e 9,5mm), e observaram que o k é diretamente proporcional ao TMNutilizado. A Figura 4 apresenta o esquema para o
ensaio com carga variável.
Figura 4 - Permeâmetro de carga variável utilizado por Williams et al. (2010)
Fonte: Williams et al. (2010).
Chaves (2010) estudou a permeabilidade de misturas asfálticas do tipo AA utilizando uma proveta sem fundo fixada na amostra com o uso da parafina (Figura 5), verificando o tempo de escoamento da água. Para a dosagem das misturas asfálticas foi utilizado a metodologia Marshall. As amostras do tipo AA foram moldadas com 50 golpes/face com soquete manual. Chaves (2010) obteve valores de k da ordem de 10-5m/s para misturas asfálticas
com Vv de aproximadamente 20%, e teores de CAP de 5,5% e de 6,0%.
Figura 5 - Ensaio de permeabilidade vertical proposto por Chaves (2010)
Na literatura existem alguns trabalhos (Falcão, 2007; Ramos, 2009; Guimarães, 2012) que determinaram o k de misturas asfálticas para aplicação das mesmas em núcleos de
barragens. Esses autores afirmam que para misturas asfálticas densas do tipo CA, que deverão compor a camada impermeável do barramento, o valor de 10-9m/s é considerado como o limite máximo para o valor do k do material. Ainda segundo esses mesmos autores, o Vv de 3% é
considerado como o limite máximo para que a mistura asfáltica consiga atingir valores de k
inferiores ou iguais a 10-9m/s. O procedimento de ensaio realizado por esses autores seguiu a norma NBR 10786/89 (Concreto Endurecido - Determinação do Coeficiente de Permeabilidade – Método de Ensaio). A Figura 6 apresenta o equipamento utilizado por Falcão (2007).
Figura 6 - Equipamento utilizado por Falcão (2007) para realizar o ensaio de permeabilidade em misturas asfálticas
(a) Adição de mistura selante aos CPs dentro das campânulas
(b) Campânulas fechadas
(c) Desenho esquemático do permeâmetro
utilizado (d) Equipamento utilizado
No estudo conduzido por Falcão (2007), para realizar esse ensaio foram utilizadas amostras de mistura asfáltica do tipo CA com 10cm de altura e 10cm de diâmetro, e com teor de CAP variando entre 4,0% e 6,5%, com Vv médio variando entre 5,4% e 1,4%. O CP foi colocado dentro de uma campânula (Figura 6a), e a lateral do mesmo foi impermeabilizada com uma mistura composta por 85% de CAP oxidado e 15% de breu (popularmente conhecido como
piche). A campânula é fechada (Figura 6b), e conectada a um sistema que contém um
reservatório de água (Figuras 6c e 6d). Uma fonte de pressão deve ser garantida por meio de uma garrafa de ar comprimido, oxigênio ou nitrogênio líquido. A percolação da água pelo CP ocorre por meio da aplicação de pressão suficiente para forçar a percolação do líquido pela amostra. A pressão aplicada nos experimentos conduzidos por Falcão (2007) variou de 0 a 350kPa, sendo possível a aplicação de diferentes cargas nas diversas campânulas. O k é
calculado de acordo com a Equação 3, apresentada anteriormente, sendo que a carga hidráulica (h) foi calculada pela relação entre a pressão aplicada no ensaio e o peso específico do fluido
(ɣ = 9,79kN/m³ para a água a 20°C).
Falcão (2007) observou que mesmo alguns CPs, com Vv próximos de 3,0%, apresentaram valores de k acima do limite (10-9m/s) exigido na prática. O autor afirma que isto
serve de alerta para que, ainda na fase de projeto, a mistura asfáltica seja avaliada com relação a sua permeabilidade. Entretanto, no geral, para misturas asfálticas com Vv inferior a 2,5%, o
k está abaixo de 10-9m/s. Além disso, os ensaios foram realizados ao longo da altura do CP, isto
é, na mesma direção da compactação. No núcleo da barragem, a mistura asfáltica estaria submetida a um fluxo mais inclinado, se aproximando da direção transversal do CP. Dessa forma, o autor afirma a importância da análise do fluxo na direção real (transversal).
2.3.2 Métodos Analítico-Experimentais
Al Omari (2004) utilizou a Equação 5 para estimar o k de misturas asfálticas. A
dificuldade em aplicar essa equação reside na complexidade em se determinar os parâmetros
Ds e Ĉ para mistura asfáltica.
k = Ĉ × − × [Ds × +Gs × b
− b
1 3] × ɣ
μ (5)
Ĉ= coeficiente empírico que inclui o efeito da forma dos vazios e da saturação da amostra (adimensional);
n = porosidade (%);
Ds = diâmetro médio dos agregados (m);
Gs = massa específica da parte sólida (agregados) da mistura asfáltica (kg/m3); Wb = percentagem de CPA na mistura asfáltica (%);
ɣ = peso específico do fluido (9,79kN/m³ para a água a 20°C);
µ = viscosidade do fluido (10-3kg/m.s para a água).
Dessa forma, para o parâmetro (Ds), por exemplo, Al Omari (2004) afirma que a
estrutura interna de misturas asfálticas inclui uma vasta gama de tamanhos de agregados minerais em comparação com outros materiais porosos, tais como solos e rochas. Por esse motivo, é difícil representar o efeito de todos os tamanhos de agregados presentes na mistura asfáltica em um único valor. Além disso, observando a Equação 5, verifica-se que o parâmetro
Ĉ é relevante. Esse coeficiente empírico pode ser obtido através de medidas experimentais de permeabilidade para diversas misturas asfálticas com diferentes Vv. A Tabela 2 foi obtida no trabalho de Al Omari (2004). Essa Tabela apresenta os valores médios de Ĉ para misturas asfálticas com diferentes Vv encontrados a partir de ensaios de permeabilidade realizados utilizando-se diferentes métodos e por diferentes autores.
Tabela 2 - Valores médios de Ĉ obtidos através de diferentes métodos e por diferentes autores a partir da realização de ensaios de permeabilidade em misturas asfálticas
Método Referência Tipo de Compactação Vv (%) Ĉ (médio)
ASTM PS-129
(2001) Kanitpong et al. (2001) Compactada no CGS
Vv ≤ 5 1,11×10-6 5 < Vv ≤ 9 7,25×10-6
Florida DOT apud
Al Omari (2004)
Cooley et al. (2002)
apud Al Omari (2004) Retirada de campo
Vv ≤ 5 1,80×10-5 5 < Vv ≤ 9 7,86×10-5 Vv > 9 2,41×10-4
Maupin (2000) Compactada no CGS
Em relação aos métodos de ensaio apresentados na Tabela 2, o Departamento de Transportes da Flórida (Florida DOT) sugere um ensaio com carga variável, enquanto a ASTM PS - 129 (2001), como apresentado anteriormente, sugere a realização do ensaio tanto com carga constante quanto com carga variável. No estudo de Kanitpong et al. (2001), o ensaio foi
realizado com carga constante. As características das misturas asfálticas avaliadas por Kanitpong et al. (2001) e Maupin (2000) foram obtidas através de ensaios em amostras
compactadas no CGS, enquanto Cooley et al. (2002) apud Al Omari (2004) caracterizaram
amostras retiradas de campo.
Os valores de Ĉ são diretamente proporcionais a permeabilidade, logo, a forma dos vazios e o grau de saturação das amostras também. Dessa forma, todos os fatores que afetam o Vv e o grau de saturação da mistura asfáltica podem influenciar diretamente a permeabilidade das mesmas, pois estes modificam o valor do parâmetro Ĉ.
Analisando a Tabela 2 para o mesmo intervalo de Vv, os valores de Ĉpara o ensaio realizado com carga constante, de acordo com a ASTM PS-129 (2001), e para o ensaio com carga variável, de acordo com o método proposto pelo DOT da Flórida, são diferentes. Segundo Al Omari (2004), além da diferença entre os métodos (um com carga constante e outro com carga variável), este resultado também pode ser atribuído ao modo como é controlada a saturação das amostras durante a realização de cada ensaio. O ensaio realizado de acordo com a ASTM PS-129 (2001) apresenta melhor controle do grau de saturação, quando comparado ao ensaio sugerido pelo DOT da Flórida, pois o ensaio é realizado dentro de um sistema fechado conectado com uma bomba de vácuo, onde também é possível controlar a pressão no interior do sistema. Entretanto, segundo o citado autor, o efeito do grau de saturação das amostras durante o ensaio com carga constante é menor se comparado ao mesmo efeito obtido durante o ensaio com carga variável. Tal fato explica os baixos valores de Ĉ obtidos de acordo com a ASTM PS-129 (2001). Mesmo quando o mesmo método de ensaio é comparado (Florida DOT), para o mesmo intervalo de Vv, valores distintos de Ĉ foram obtidos por Maupin (2000) e Cooley
et al. (2002) apudAl Omari (2004). Tal fato pode ser explicado pela diferença de compactação,
pois enquanto as amostras avaliadas por Cooley et al. (2002) apud Al Omari (2004) foram
2.4 Permeabilidade Horizontal de Misturas Asfálticas
Oliveira (2003) desenvolveu um equipamento similar ao desenvolvido pela Swiss
Federal Laboratories for Materials Testing Research, seguindo as especificações européias
para a dosagem e a caracterização de misturas asfálticas drenantes. O equipamento possibilita a determinação dos coeficientes de permeabilidade horizontal (kh) e vertical (kv) durante um
ensaio de carga variável (Figuras 7a e 7b). Os valores de kh e kv foram calculados de acordo
com a Equação 4, apresentada anteriormente.
Figura 7 - Método de ensaio para a determinação das permeabilidades horizontal e vertical proposto por Oliveira (2003)
(a) Esquema do ensaio de permeabilidade vertical
(b) Ensaio de permeabilidade horizontal
Fonte: Oliveira (2003).
No ensaio de permeabilidade vertical, a lateral do CP é impermeabilizada com uma manta de silicone, de modo que o fluxo ocorra preferencialmente na vertical (Figura 7a). Já no ensaio de permeabilidade horizontal, a base do CP é impermeabilizada, de modo que seja possível verificar a capacidade de percolação da água pela lateral do mesmo (Figura 7b). Nesse estudo foram avaliadas duas misturas asfálticas do tipo CPA, uma com granulometria enquadrada na faixa IV e outra com granulometria enquadrada na faixa V da especificação de serviço DNER-ES 386/99. A diferença entre as faixas granulométricas é o TMN dos agregados. A faixa IV apresenta TMN igual a 12,5mm, enquanto a faixa V apresenta TMN igual a 19,1mm. Em relação aos agregados utilizados, as duas misturas asfálticas são compostas por agregados calcários e dolomíticos, provenientes da mesma pedreira. O índice de forma obtido de acordo com o método de ensaio DNER 086/94 foi de 0,2 (abaixo de 0,5), fato que caracteriza o agregado graúdo como lamelar.
e calcita), Oliveira (2003) comparou os resultados de permeabilidade obtidos (Tabela 3), com aqueles obtidos por Botelho e Santos Filho (2002), sendo que a mistura asfáltica avaliada por esses autores também possuía granulometria enquadrada na faixa IV do DNER-ES 386/99 e Vv de 20%, porém esta era composta por agregados de origem mineralógica calcária calcítica. Além disso, Botelho e Santos Filho (2002) utilizaram o mesmo procedimento experimental utilizado por Oliveira (2003) para calcular a permeabilidade da mistura nas duas direções. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 3. Todas as misturas apresentadas na citada tabela foram compactadas seguindo a metodologia Marshall (golpes). Além disso, o teor de CAP é igual a 4% para todas as misturas asfálticas avaliadas.
Tabela 3 - Comparação entre os valores de coeficiente de permeabilidades vertical (kv) e
coeficientes de permeabilidade horizontal (kh) para misturas asfálticas do tipo CPA
Referência Faixa Granulométrica (DNER- ES 389/99) (%) Vv kh (m/s) kv (m/s) kh/kv
Botelho e Santos Filho (2002)
Faixa IV 20,0 7,4×10
-3 2,6×10-3 2,85
Oliveira (2003) 22,0 6,3×10-3 4,5×10-3 1,40
Oliveira (2003) Faixa V 18,0 6,0×10-3 3,9×10-3 1,54 Fonte: adaptado de Oliveira (2003).
Para os resultados obtidos por Oliveira (2003), observa-se o valor de kh foi superior
(40% e 54% para as misturas asfálticas enquadradas nas faixas IV e V, respectivamente) se comparados aqueles encontrados para o kv. De acordo com o autor, isso pode ser explicado pelo
fato dos agregados utilizados serem lamelares, o que favorece a anisotropia na estrutura da mistura asfáltica, com uma tendência de acomodação dos lados de dimensão maior dos agregados na posição horizontal, o que faz com que a água percorra um caminho maior na direção vertical se comparada ao caminho percorrido na direção horizontal. Já com relação aos resultados obtidos por Botelho e Santos Filho (2002), verifica-se que o kh é quase três vezes
maior se comparada ao kv. Al Omari (2004) analisou as permeabilidades horizontal e vertical
de diferentes tipos de misturas asfálticas. O citado autor afirmou que, para misturas asfálticas com granulometria densa, a razão entre os valores de kh e kv está entre 8,35 e 11,40. Já para
misturas asfálticas com granulometria aberta, esse intervalo varia de 1,65 a 4,02.
Na literatura internacional, existem alguns estudos (Al Omari, 2004; Kutay et al.
2007; Masad et al., 2007) desenvolvidos para calcular o kh por meio de métodos
analítico-experimentais. Kutay et al. (2007) estimaram a permeabilidade nas direções vertical e
de Imagens (PDI) para avaliar a distribuição interna dos vazios no interior das amostras. Em seguida, um modelo tridimensional de fluxo de fluido em meio poroso foi utilizado para determinar as permeabilidades horizontal (nas direções x e y) e vertical (na direção z) das amostras. O k, nas direções x, y e z, foram determinados por simulação numérica a partir da
aplicação da lei de Darcy generalizada para um comportamento tridimensional (Equação 6).
[vv
v ] = − γ × n × [
k k k
k k k
k k k ] × [
∇P ∇P ∇P]
(6)
Onde:
kij = tensor permeabilidade;
ɣ = peso específico do fluido (9,79kN/m³ para a água a 20°C);
nef = porosidade efetiva;
vx, vy e vz = velocidades do fluxo nas direções x, y e z; ∇Px, ∇Py e ∇Pz = gradiente hidráulico nas direções x, y e z.
A porosidade (n) é característica de materiais que podem armazenar fluidos em seus
vazios interiores, chamados de poros (Pinto, 2002). Entretanto, é necessário que os poros se comuniquem para que o fluido percole pelo interior do material. Dessa forma, a porosidade efetiva (nef) considera somente os poros interconectados. Kutay et al. (2007) determinaram a nef por meio do PDI, eliminando os poros isolados. O procedimento utilizado por esses autores
para analisar a estrutura interna de misturas asfálticas pode ser visualizado na Figura 8.
Figura 8 - Ilustração do procedimento realizado por Kutay et al. (2007) para determinação da
porosidade efetiva (nef) de misturas asfálticas
Inicialmente, feixes de raio-x são aplicados na amostra que gira até completar 360˚. À medida que a amostra gira, as imagens são coletadas. A espessura da imagem coletada equivale a espessura do coletor da imagem (entre 0,1mm a 5mm). Dessa forma, pequenas fatias da amostra em 2-D são obtidas. Com o uso de algoritmos, é possível isolar em cada fatia as regiões ou pontos onde existe agregados, Matriz de Agregados Finos (MAF) ou vazios. Para verificar a nef, as fatias são montadas para formar a amostra em 3-D, sendo que os pontos que
indicam vazios em uma fatia e não coincidem com pontos vazios na fatia seguinte são eliminados, pois indica que não são conectados.
De acordo Kutay et al. (2007), aplicando um gradiente de pressão em qualquer uma
das direções x, y e z, e mantendo as outras duas direções igual a zero (por exemplo, ∇Pz ≠ 0, ∇Px = 0 e ∇Py = 0 para o fluxo na direção z - vertical), obtêm-se as Equações (7, 8 e 9) relativas
a permeabilidade direcional.
kzz = - ɣ × nef × (vz/∇Pz) (7)
kxx = - ɣ × nef × (vx/∇Px) (8)
kyy = - ɣ × nef × (vy/∇Py) (9)
Kutay et al. (2007) avaliaram no total 28 amostras de diferentes tipos de misturas
asfálticas (oito com granulometria densa; doze com granulometria descontínua, do tipo SMA; quatro com granulometria aberta; quatro amostras retiradas de campo, com granulometria densa). Todas as amostras, exceto aquelas retiradas de campo, foram compactadas no CGS. Para calcular a relação entre o kh e o kv foi retirada a média de kxx e kyy, pois a relação entre os
valores foi próximo de 1. A Figura 9 apresenta o comportamento da distribuição da relação kh/kv
para as 28 amostras avaliadas utilizando as Equações 7, 8 e 9.
Figura 9 - Frequência da distribuição da relação kh/kv obtidas por Kutay et al. (2007)
Analisando a Figura 9, observa-se que a maioria (68%) das amostras apresenta relação kh/kv menor do que 10. Entretanto, algumas amostras (três) apresentaram valores para
essa relação maior do que 50. As quatro amostras com granulometria aberta apresentaram valor médio da relação kh/kv igual a 2,8. Já para as amostras retiradas de campo, a relação kh/kv foi em
média equivalente a 4,5. Dessa forma, no geral, observou-se que as misturas asfálticas com granulometria densa e misturas do tipo SMA apresentaram comportamento mais anisotrópico com relação ao fluxo se comparadas as outras misturas asfálticas avaliadas no citado estudo.
Além da simulação numérica apresentada anteriormente, Kutay et al. (2007)
também estimaram os valores do kh e do kv de forma analítica-experimental. Para calcular o
valor do kh, esses autores observaram, por meio de simulação de fluxo, que, quando o gradiente
de pressão é aplicado na direção z (vertical), as maiores velocidades são observadas no meio da
amostra (Figura 10a). Por outro lado, quando um gradiente de pressão é aplicado nas direções
x e y (horizontal), as maiores velocidades são observadas no topo e na base das amostras (Figura
10b). Vale lembrar que as amostras foram compactadas no CGS, onde a porosidade do meio da amostra é normalmente inferior se comparada a porosidade encontrada no topo e na base da mesma (Al Omari, 2004; Masad et al., 2007).
Figura 10 - Simulação do comportamento da velocidade de fluxo nas direções x, y e z com a
profundidade da amostra realizadas por Kutay et al. (2007)
(a) Variação da velocidade na direção vertical (vz) com a profundidade
(b) Variação da velocidade na direção horizontal (vx e vy) com a
Observando a Figura 10, Kutay et al. (2007) concluíram que a permeabilidade na
direção z é controlada pela velocidade do fluxo no meio da amostra. Já as permeabilidades nas
direções x e y são controladas pela magnitude da velocidade do fluxo no topo e na base da
amostra. Dessa forma, o fluxo de água na direção horizontal é controlado pelo fluxo no topo e na base da amostra, pois a maior parte dos poros interconectados se encontra nessa região. Por outro lado, o fluxo na direção vertical é controlado pela velocidade do fluxo no meio da amostra. Nesse contexto, para desenvolver um método mais prático para determinar a permeabilidade nas direções horizontal e vertical, Kutay et al. (2007) sugerem cortar as amostras em três partes
(topo, meio e base) e, em seguida, calcular a porosidade (de acordo com a AASHTTO 166 - 2000) de cada subcamada cortada e calcular a permeabilidade de acordo com a Equação 5, que é a mesma equação utilizada por Al Omari (2004) para prever a permeabilidade de misturas asfálticas. Para determinar a permeabilidade horizontal, foi calculada a porosidade média entre os valores das subcamadas do topo e da base. Além disso, para utilizar a Equação 5, os autores consideraram o parâmetro Ĉ (fator que representa a forma dos vazios) constante e igual a 0,003.
Com o intuito de comparar os resultados de permeabilidade obtidos por meio da simulação numérica e os resultados obtidos por meio do método analítico-experimental proposto, a Figura 11 apresenta uma comparação entre os resultados obtidos através dos dois métodos. De acordo com os autores, e como pode ser observado na Figura 11, existe uma boa correlação (R2 de aproximadamente 0,80) entre os resultados obtidos por meio dos dois
procedimentos estudados.
Figura 11 - Comparação entre os valores de permeabilidade calculados de acordo com a Equação 5 e por meio de Simulação Numérica (SN) realizados por Kutay et al. (2007)
2.5 Fatores que Interferem na Permeabilidade de Misturas Asfálticas
A permeabilidade de misturas asfálticas é influenciada, principalmente, pelos seguintes fatores: as características e as proporções dos materiais constituintes e o tipo de fluido percolante utilizado. Segundo Al Omari (2004), a espessura do revestimento e o tipo de compactação são outros fatores que afetam a permeabilidade desses materiais. Este mesmo autor afirma ainda que os fatores citados anteriormente afetam a permeabilidade porque alteram a distribuição de vazios em termos de tamanho, de conectividade e de distribuição dos mesmos. A granulometria dos agregados utilizados na constituição das misturas asfálticas influencia diretamente na permeabilidade das mesmas. Misturas asfálticas com granulometria aberta apresentam ausência de finos, e, como consequência, aumento do Vv, enquanto, misturas asfálticas com granulometrias contínuas e bem-graduadas apresentam agregados de dimensões diferentes, proporcionando um esqueleto mineral com pouco vazios. Bernucci et al. (2010)
afirmam que misturas asfálticas com curvas granulométricas uniformes com agregados quase exclusivamente de um mesmo tamanho geram um esqueleto mineral com muitos vazios interconectados, devido a insuficiência de material fino necessário para preencher os vazios entre as partículas maiores. Um estudo realizado por Brown et al. (2004) avaliou a
permeabilidade (em campo e em laboratório) de sete diferentes misturas asfálticas compactadas em campo, e verificou que as misturas asfálticas com granulometria graúda ( coarsed-graded-mix) apresentam valores de k superiores ao recomendado (1,25×10-5m/s) quando o Vv é
superior a 8%. Já para as misturas asfálticas compostas por agregados de granulometria miúda
(fine-graded-mix), esse limite não é ultrapassado, mesmo para Vv de até 10%. A Tabela 4
apresenta os resultados de permeabilidade obtidos nesse citado estudo.
Tabela 4 - Valores de k para misturas asfálticas com diferentes granulometrias obtidos por Brown et al. (2004)
Mistura TMN (mm) Granulometria campo (%) Vv em k de campo (10-7m/s) k de laboratório (10-7m/s)
1 9,5 Miúda 6,8 a 8,8 1 a 28 1 a 35
2 9,5 Graúda 9,0 a 12,6 14 a 632 107 a 1.070
3 9,5 SMA 7,7 a 12,6 110 a 651 29 a 168
4 12,5 SMA 4,1 a 17,9 3 a 1.778 0,1 a 5.850
5 19,0 Miúda 5,7 a 9,5 38 a 161 1 a 77
6 19,0 Graúda 5,3 a 9,8 10 a 1.760 1 a 141
7 19,0 Graúda 4,8 a 15,2 72 a 3.030 0 a 1.203
